Intermetalliska legeringar har potentiellt hög hållfasthet i en miljö med hög temperatur. Men de lider i allmänhet av dålig duktilitet vid omgivande och låga temperaturer, därför begränsar deras tillämpningar inom flyg- och andra tekniska områden. Än, ett forskarlag ledd av forskare från City University of Hong Kong (CityU) har nyligen upptäckt de oordnade nanoskala skikten vid korngränserna i de beställda intermetalliska legeringarna. Nanoskikten kan inte bara effektivt lösa den oförsonliga konflikten mellan styrka och duktilitet, men bibehåller också legeringens styrka med en utmärkt termisk stabilitet vid höga temperaturer. Att designa liknande nanolager kan öppna en väg för design av nya strukturella material med optimala legeringsegenskaper.

Denna forskning leddes av professor Liu Chain-tsuan, CityUs universitets framstående professor och seniorstipendiat vid Hong Kong Institute for Advanced Study (HKIAS). Resultaten publicerades just i den prestigefyllda vetenskapliga tidskriften Vetenskap , med titeln "Ultrahöghållfasta och formbara supergitterlegeringar med oordnade gränssnitt i nanoskala."

Precis som metaller, den inre strukturen hos intermetalliska legeringar är gjord av individuella kristallina områden som kallas "korn". Den vanliga sprödheten i intermetalliska legeringar tillskrivs i allmänhet sprickbildning längs deras korngränser under dragdeformation. Att lägga till grundämnet bor till de intermetalliska legeringarna har varit en av de traditionella metoderna för att övervinna sprödheten. Professor Liu var faktiskt en av dem som studerade detta tillvägagångssätt för 30 år sedan. Vid den tiden, han fann att tillsatsen av bor till binära intermetalliska legeringar (som utgör två element, som Ni ₃ Al) förbättrar korngränsens kohesion, vilket förbättrar deras totala duktilitet.

Ett överraskande experimentellt resultat

På senare år har Professor Liu har uppnått många stora framsteg när det gäller att utveckla bulk intermetalliska legeringar (intermetallisk legering kallas också supergitterlegering, konstruerad med lång räckvidd, atomärt tätpackad ordnad struktur). Dessa material med god styrka är mycket attraktiva för konstruktionsapplikationer med hög temperatur, men lider i allmänhet av allvarlig sprödhet vid omgivande temperaturer, samt snabb kornförgrovning (d.v.s. tillväxt i kornstorlek) och uppmjukning vid höga temperaturer. Så denna gång, Professor Liu och hans team har utvecklat den nya strategin för störning av gränssnitt i nanoskala i intermetalliska legeringar med flera element, vilket möjliggör den höga hållfastheten, stor duktilitet vid rumstemperatur och även utmärkt termisk stabilitet vid förhöjda temperaturer.

"Vad vi ursprungligen försökte göra är att förbättra korngränsens sammanhållning genom att optimera mängden bor, " sa Dr Yang Tao, en postdoc forskarassistent vid CityU:s institution för maskinteknik (MNE) och IAS, som också är en av de första författarna av tidningen. "Vi förväntade oss att när vi ökade mängden bor, legeringen skulle bibehålla ultrahög hållfasthet på grund av dess flerelementbeståndsdelar."

Enligt konventionell visdom, tillsats av spårmängder (0,1 till 0,5 atomprocent (at. %)) av bor förbättrar avsevärt deras draghållfasthet genom att öka korngränsens kohesion. När alltför stora mängder bor tillsattes, detta traditionella tillvägagångssätt skulle inte fungera. "Men när vi tillsatte alltför stora mängder bor till de nuvarande multikomponent-intermetalliska legeringarna, vi fick helt andra resultat. Vid ett tillfälle undrade jag om något gick fel under experimenten, Dr. Yang mindes.

Till lagets förvåning, när man ökar bor till så högt som 1,5 till 2,5 kl. %, dessa bordopade legeringar blev mycket starka men mycket formbara. Experimentresultat visade att de intermetalliska legeringarna med 2 at. % bor har en ultrahög sträckgräns på 1,6 gigapascal med en draghållfasthet på 25 % vid omgivningstemperaturer.

Genom att studera genom olika transmissionselektronmikroskoper, teamet upptäckte att när koncentrationen av bor varierade från 1,5 till 2,5 kl. %, ett distinkt nanoskikt bildades mellan intilliggande ordnade korn. Vart och ett av kornen kapslades in i detta ultratunna nanoskikt med en tjocklek av cirka 5 nm. Och själva nanoskiktet har en oordnad atomstruktur. "Det här speciella fenomenet hade aldrig upptäckts och rapporterats tidigare, sa professor Liu.

Deras dragtester visade att nanoskiktet fungerar som en buffertzon mellan intilliggande korn, som möjliggör plastisk deformation vid korngränser, vilket resulterar i den stora draghållfastheten vid en ultrahög sträckgränsnivå.

Varför bildas det oordnade nanoskiktet?

Teamet fann att den ytterligare ökningen av bor avsevärt har förbättrat "multi-element co-segregation" - uppdelningen av flera element längs korngränserna. Med den avancerade tredimensionella atomsondtomografin (3-D APT) vid CityU, den enda i sitt slag i Hong Kong och södra Kina, de observerade en hög koncentration av bor, järn- och koboltatomer i nanoskikten. I kontrast, nickeln, aluminium och titan var i stort sett utarmat där. Denna unika elementaruppdelning, som ett resultat, inducerade nanoskaliga störningar i nanoskiktet som effektivt undertrycker frakturerna längs korngränserna och förbättrar duktiliteten.

Dessutom, vid utvärdering av legeringens termiska respons, teamet fann att ökningen i kornstorlek var försumbar även efter 120 timmars glödgning vid en hög temperatur på 1050°C. Detta överraskade teamet igen eftersom de flesta av de strukturella materialen vanligtvis visar den snabba tillväxten av kornstorlek vid hög temperatur, vilket resulterar i att styrkan minskar snabbt.

En ny väg för att utveckla strukturmaterial för användning vid hög temperatur

De trodde att nanoskiktet är avgörande för att undertrycka tillväxt i kornstorlek och bibehålla sin styrka vid hög temperatur. Och den termiska stabiliteten hos det oordnade nanoskiktet kommer att göra denna typ av legering lämplig för högtemperaturstrukturella tillämpningar.

"Upptäckten av detta oordnade nanolager i legeringen kommer att påverka utvecklingen av höghållfasta material i framtiden. I synnerhet, detta tillvägagångssätt kan tillämpas på strukturella material för tillämpningar vid höga temperaturer som flyg, rymd, bil, kärnkraft, och kemiteknik, sa professor Liu.